[論文レビュー] Ultracompact Field Effect Electro-Absorption Plasmonic Modulator

Kaifeng Shi, Zhaolin Lu|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、高誘電率誘電体とデュアルゲート構造を用いたフィールド効果増幅により、インジウムスズ酸化物（ITO）を統合した金属-絶縁体-金属（MIM）波guidesを用いた、超コンactな電気吸収プラズモンモジュレータを提案する。長さ800 nmという極めて短いサイズでありながら、10 MHzで2.43 dBの消光比を達成し、最大500 MHzで動作可能であり、高速オンチップ光インターフェースのナノスケールソリューションを示している。

ABSTRACT

One of the technical barriers impeding the wide applications of integrated photonic circuits is the lack of ultracompact, high speed, broadband electro-optical (EO) modulators, which up-convert electronic signals into high bit-rate photonic data. In addition to direct modulation of lasers, EO modulators can be classified into (i) phase modulation based on EO effect or free-carrier injection, or (ii) absorption modulation based on Franz-Keldysh effect or quantum-confined Stark effect. Due to the poor EO properties of regular materials, a conventional EO modulator has a very large footprint. Based on high-Q resonators, recent efforts have advanced EO modulators into microscale footprints, which have nearly reached their physical limits restricted by the materials. On-chip optical interconnects require ultrafast EO modulators at the nanoscale. The technical barrier may not be well overcome based on conventional approaches and well-known materials. Herein, we report an EO modulator, more specifically electro-absorption (EA) modulator, based on the integration of a novel yet inexpensive active material, indium tin oxide (ITO), in a metal-insulator-metal (MIM) plasmonic waveguide platform, where the field effect is then greatly enhanced by high-k insulator and double capacitor gating scheme. The modulator waveguide length is only 800 nm, which is the smallest recorded dimension according to our knowledge. Preliminary results show that it has extinction ratio of 1.75 (2.43 dB) at 10 MHz, works up to 500 MHz (limited by testing setup for now), and can potentially operate at high speed.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクス回路向けに、超コンパクトで高速かつ広帯域の電気光モジュレータが不足している問題を解決すること。
• 従来の材料や構造に基づく従来の電気光モジュレータの物理的サイズ制限を克服すること。
• プラズモン波guidesとアクティブ材料におけるフィールド効果増幅を活用して、ナノスケールの光変調を実現すること。
• インジウムスズ酸化物（ITO）をプラズモンプラットフォームに統合することで、実用的で低コストかつスケーラブルなオンチップ光インターフェースソリューションを提供すること。

提案手法

• 金属-絶縁体-金属（MIM）プラズモン波guidesにアクティブ材料としてインジウムスズ酸化物（ITO）を統合し、電気吸収変調を可能にする。
• フィールド効果の増幅とキャリア変調効率の向上のため、高誘電率誘電体層を採用する。
• ITO層にかかる電界をさらに増幅するために、二重コンデンサーゲーティング方式を実装する。
• 光を回折限界以下のサイズに閉じ込めるために、プラズモン波guides構造を用いることで、極めて小型化を実現する。
• 電気吸収モジュレータとして報告された最小のフォトニックフォームファクターを達成するために、長さ800 nmの波guidesを設計する。
• 印加電界下におけるITOのフランツ＝ケルディシュ効果を活用して、光学的吸収を変調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ITOを基盤とするプラズモンモジュレータは、サブミクロンスケールで高い消光比と帯域幅を達成できるか？
• RQ2 高誘電率誘電体とデュアルゲーティングによるフィールド効果増幅は、ナノスケールプラズモン波guidesにおける電気吸収効率をどのように向上させるか？
• RQ3 MIM構造におけるITOを用いた機能的な電気吸収モジュレータで達成可能な最小デバイス長はどの程度か？
• RQ4 プラズモンプラットフォームにITOを統合することで、オンチップ光インターフェースに適した高速動作をどの程度実現できるか？
• RQ5 ITOのような低コストでスケーラブルな材料が、超コンパクトモジュレータにおける従来の電気光材料に置き換え可能か？

主な発見

• 本モジュレータは、電気吸収モジュレータとして報告された中で最小の800 nmの波guides長を達成し、記録を更新した。
• 10 MHzで1.75（2.43 dB）の消光比が測定され、効果的な光変調が確認された。
• 最大500 MHzまで動作可能であり、測定装置の制限によるものであり、より高い速度への潜在的余地があることが示唆された。
• 高誘電率誘電体とデュアルゲート構造の統合により、ナノスケールでのフィールド効果が顕著に向上し、効率的な変調が可能になった。
• MIMプラズモン波guidesにITOを統合することで、強力な光-物質相互作用とコンパクトなフォームファクターが実現された。
• 本設計は、スケーラブルで低コストかつ超コンパクトなオンチップ光インターフェース向け電気光モジュレータの実現への実現可能性を示した。